CN104375353B - 一种中心频率可调的光孤子的产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及强场物理中激光与物质相互作用领域，尤其涉及一种中心频率可调的光孤子的产生装置及方法。装置包括激光器、作用结构和接收器。方法包括步骤：S1选择周期性介质平面之间的间距d，根据d＝2δ，得到周期性介质的尺寸δ，形成周期性微纳结构；S2引入短周期超短激光脉冲，激光脉冲在介质中传输；S3分别记录脉冲在周期性微纳结构中传输时的反射电场和透射电场；S4将记录数据进行处理分析，进而得到孤子脉冲。本发明通过改变周期性微纳结构中介质的尺寸，来影响脉冲在微纳结构中的传输过程，进一步影响最终的透射电场，可以得到不同频率的孤子。本方法简单易行，不受环境条件影响，系统稳定性和重复性好，很好地解决了光孤子中心频率可调的问题。

Description

一种中心频率可调的光孤子的产生装置及方法

技术领域

本发明涉及强场物理中激光与物质相互作用领域，尤其涉及一种中心频率可调的光孤子的产生装置及方法。

背景技术

孤子的概念最早是由英国科学家Scott Russell在研究水波时提出来的，后来美国科学家Zabusky和Kruskal的工作，孤子理论的研究得到蓬勃发展，在电子、生物、分子、光学、非线性传输等领域都建立了类似的孤子理论。光孤子脉冲的产生对于研究新型超快激光脉冲驱动下不同微纳结构中的超快非线性光学新效应、新机制，探索亚周期极端时间与空间尺度内光与物质相互作用具有十分重要的意义。

光孤子是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。一束激光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，脉冲在介质中传播时脉宽会变宽。在时间域上脉冲的展宽源于介质的色散，在空间域上的展宽源于自然衍射。当线性效应的衍射(衍射)引起的脉冲展宽和非线性效应的自聚焦(自相位调制)引起的脉冲压缩达到完美平衡时，就会形成空间(时间)光孤子。光孤子的产生也和介质对电磁波的非线性响应以及介质线性折射率的分布(如各种周期性结构)密切相关。因此，不同的非线性介质结构中的光孤子的稳定特性、传输特性及相互作用特性等都可能有很大差别。光孤子在传输过程中，脉冲的形状、幅度、和速度都维持不变，由于光孤子具有这种特殊的性质，因而它在等离子物理学、高能电磁学和非线性光学中得到广泛的应用。现在比较常见的光孤子产生方法是光纤孤子生成法。

光纤生成法是利用脉冲在光纤中传输，在其反常色散区域，自相位调制效应所导致的脉冲变窄正好与群速度色散在反常色散区的脉冲展宽的趋势相对应，因此，当这两种作用在数量上达到平衡时，光脉冲就会保持不变而成为光孤子。但现在的技术存在以下缺点：首先，产生不同频率的孤子必须先将原系统的光纤断开，重新熔接，熔接点会引入损耗；其次，在此过程中环境条件容易发生改变，影响系统的可重复性与稳定性。因此通过光纤生成法产生光孤子的过程中，产生光孤子的系统不稳定，结构复杂，并且产生的孤子只发生明显的红移现象，不易对光孤子的中心频率进行调节。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种中心频率可调的光孤子的产生装置，实现对光孤子中心频率的调节。

为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。中心频率可调的光孤子的产生装置，包括：

激光器，用于产生短周期超短激光脉冲；

作用结构，用于放置与所述短周期超短激光脉冲相互作用的介质，所述介质平面与所述短周期超短激光脉冲的传播方向垂直；

接收器，用于接收所述短周期超短激光脉冲与所述介质相互作用产生的光孤子。

进一步地，所述介质为非线性半导体介质。更进一步地，所述非线性半导体介质为砷化镓。

进一步地，所述介质成周期性排列，形成周期性微纳结构，介质平面之间的间距为0.16um～0.5um。

进一步地，所述接收器为硅芯片接收器。

本发明的第二个目的在于提供一种中心频率可调的光孤子的产生方法，实现对光孤子中心频率的调节。

为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种中心频率可调的光孤子的产生方法，包括以下步骤：

S1根据布拉格条件，选择周期性介质平面之间的间距d，根据d＝2δ，得到周期性介质的尺寸δ，形成周期性微纳结构；

S2引入短周期超短激光脉冲，脉冲的传播方向与介质平面垂直，激光脉冲在介质中传输；

S3基于激光脉冲在微纳结构中的传输过程，分别记录脉冲在周期性微纳结构中传输时的反射电场和透射电场；

S4将记录得到的透射脉冲电场数据进行处理分析，进而得到孤子脉冲。

根据不同条件，通过改变平面间距d，进而改变周期性介质的尺寸，重复步骤S1～S4，对改变尺寸得到的透射脉冲电场进行分析，进而得到不同频率的光孤子。

步骤S2中，短周期超短激光脉冲在周期性微纳结构介质中传输，当激光脉冲经过第一个狭缝时，一部分激光脉冲电场会透过介质继续向前传输，另一部分激光脉冲电场会被反射回去，被反射的脉冲中有一部分激光脉冲电场会再次被反射，从而继续向前传输；依次类推，当激光脉冲电场经过第二个、第三个、……、第N个狭缝时，会经过多次反射和透射，进而得到最终的反射和透射电场数据。最终会得到不同频率的光孤子，并且光孤子具有明显的蓝移和红移现象。

进一步地，所述步骤S4的处理分析包括电场的形状和频谱分析。

进一步地，所述短周期超短激光脉冲的中心频率等于所述周期性非线性介质的跃迁频率，使得所述包络为双曲正割型的短周期超短激光脉冲与所述周期性介质满足共振传输条件。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过改变周期性微纳结构中介质的尺寸，来影响脉冲在微纳结构中的传输过程，进一步影响最终的透射电场，可以得到不同频率的孤子。本方法简单易行，不受环境条件影响，系统稳定性和重复性好，很好地解决了光孤子中心频率可调的问题，对于理解极端时间和空间尺度内激光与物质的相互作用和超短脉冲在微纳结构中的传输特性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的光孤子的产生装置的结构示意图；

图2是短周期超短激光脉冲在周期性微纳结构中传播的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明公开了一种中心频率可调的光孤子的产生装置，结构如图1所示，包括了激光器01、作用结构02和接收器03。激光器01用于产生短周期超短激光脉冲，作用结构02用于放置与短周期超短激光脉冲相互作用的介质，接收器03用于接收短周期超短激光脉冲与介质相互作用产生的光孤子。激光器01所产生的短周期超短激光脉冲的传播方向与作用结构02中介质的平面垂直。

优选地，激光器所产生的短周期超短激光脉冲包络为双曲正割型，并且，短周期超短激光脉冲的中心频率ω_p等于周期性介质的跃迁频率ω₀，满足共振传输条件。

优选地，作用结构中介质为非线性半导体介质，如砷化镓，并且作用结构中的介质成周期性排列，形成周期性微纳结构，其介质平面之间的间距为d，范围在0.16um～0.5um之间，接收器用于接收产生的光孤子，如硅芯片接收器。

本发明还公开了一种中心频率可调的光孤子的产生方法，通过以下步骤完成：

(1)根据布拉格反射条件，选择的周期性介质平面的间距d＝0.16um，进而得到满足条件的周期性介质的尺寸δ＝0.08um(d＝2δ)，在微纳结构中周期性排列，形成周期性微纳结构。开启激光器产生短周期超短激光脉冲，其中脉冲的主要参数包括脉冲激光的中心频率ω_p、脉冲振幅E₀、激光脉冲的脉宽τ_p。在本实施例中控制激光输入参数为电场的峰值强度E₀＝1.856×10⁷V/cm，短周期超短激光脉冲的中心频率ω_p要等于周期性非线性介质的跃迁频率ω₀，即有ω₀＝ω_p＝2.3fs^-1，使得包络为双曲正割型的短周期超短激光脉冲与周期性介质满足共振传输条件，输出激光的脉宽τ_p＝5fs，将短周期超短激光脉冲电场引入到周期性微纳结构中，与此同时脉冲传播方向与周期性介质的平面之间的夹角为90°，即使得脉冲与介质平面之间形成垂直入射；

(2)短周期超短激光脉冲在周期性微纳结构中传播如图2所示，短周期超短激光脉冲在微纳结构中的传播时，会与周期性介质发生强共振相互作用，激光脉冲有比较高的透射率。当脉冲传播到周期性介质Z0平面时，有一部分脉冲会被反射，同时一部分激光脉冲电场会透过介质继续向前传输。当脉冲激光经过Z0与Z1之间的狭缝时，一部分激光脉冲电场会透过介质继续向前传输，另一部分激光脉冲电场会被反射回去，被反射的脉冲电场中有一部分激光脉冲电场在Z0平面处会被再次反射，从而继续向前传输；依次类推，当激光脉冲电场经过第二个、第三个、……、第N个狭缝时，会经过多次反射和透射，进而在Z2右侧得到最终的透射电场数据，从而可以得到一定频率的光孤子；

(3)保持短周期超短激光脉冲参数不变的条件下，改变周期性介质平面之间的间距d，进而改变周期性介质的尺寸δ，重复上述步骤，对改变尺寸得到的透射脉冲电场进行分析，述处理分析包括电场的形状，频谱分析等，可以得到不同中心频率的光孤子，并且光孤子具有明显的蓝移和红移现象。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种中心频率可调的光孤子的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1选择周期性介质平面之间的间距d，根据d＝2δ，得到周期性介质的尺寸δ，形成周期性微纳结构；

S2引入短周期超短激光脉冲，脉冲的传播方向与介质平面垂直，激光脉冲在介质中传输；

S3基于激光脉冲在微纳结构中的传输过程，分别记录脉冲在周期性微纳结构中传输时的反射电场和透射电场；

S4将记录得到的透射脉冲电场数据进行处理分析，进而得到孤子脉冲。

2.根据权利要求1所述的产生方法，其特征在于，所述步骤S4的处理分析包括电场的形状和频谱分析。